CN109864724A - 一种新型基于ecg和ppg血压变化计算方法 - Google Patents

一种新型基于ecg和ppg血压变化计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种新型基于ECG和PPG血压变化计算方法，所述的计算方法包括三个模块：希尔伯特变换模块、互相关计算模块、相位差计算模块；所述的希尔伯特变换模块对输入的ECG和PPG信号同时做希尔伯特变换；所述的互相关计算模块对变换后的ECG和PPG信号做互相关计算；所述的相位差计算模块从相关性中提取相位差值；得出的相位差值反映了PTT值，再通过基线校准将血压变化校准到绝对血压上。其优点表现在：通过希尔伯特变换的互相关性来优化PTT的计算方法，从而来强化血压监测的性能，增加血压测量精度和稳定性，降低测量成本。

Description

一种新型基于ECG和PPG血压变化计算方法
技术领域
本发明涉及软件算法技术领域，具体地说，是一种新型基于ECG和PPG血压变化计算方法。
背景技术
通过Elektrocardiogram(ECG)和Photoplethysmography(PPG)传感器从人体皮肤表面同时获得ECG和PPG信号来计算Pulse Transit Time(PTT)，从而间接测量血压变化和绝对血压值，这是一种连续动态无创的血压(变化)监测方案；基于ECG和PPG信号侧血压的方法主要分为两步：(1)计算ECG和PPG信号之间的PTT，即血液变化，(2)基线校准将PTT转化为绝对血压值；这里的关键一步是(1)中PTT的计算；PTT的计算精度会直接影响血液变化和绝对血压值的测量。
传统的PTT计算方法是使用一个峰值检测器检测ECG信号和PPG信号的峰值，再测量两个临近的ECG峰值和PPG峰值的时间距离，作为计算PTT的基础；而基于峰值检测的PTT计算方法有三个缺点：(1)PTT的计算精度高度依赖于峰值检测器的质量，如果峰值检测器易受噪声影响，测量则不准确或不稳定；(2)仅适用ECG峰值和PPG峰值计算PTT未能适用到信号中其他数据，未能最大限度地使用测量信号；(3)使用峰值测量器增加了计算的复杂度和程序的运行成本(时间，内存等资源)。
中国专利文献：CN201610040135.X，申请日2016.01.21，专利名称为：一种基于脉搏波传播时间的无创连续血压监测方法及装置。公开了一种基于脉搏波传播时间的无创连续血压监测方法及装置，其特点是：在被测试者的仰卧、站立手臂竖直举起、弯腰三种体位下，利用心电信号检测单元检测被测试者标准Ⅱ导联的ECG信号的同时，利用容积脉搏波信号检测单元检测食指指端的PPG信号，并通过上位机信号处理单元测量ECG信号的R波峰值点与PPG信号的特征点之间的时间差作为脉搏波的传播时间PTT，通过对得到的PTT数据和由电子血压计记录的血压数据进行相关性分析及线性回归分析，建立PTT对血压的回归方程，通过测量PTT，间接得到血压值。
中国专利文献：CN201410029447.1，申请日2014.01.20，专利名称为：一种基于希尔伯特变换的互相关相位差测量方法。公开了一种基于希尔伯特变换的互相关相位差测量方法；该发明涉及信号处理领域，特别是相位差的测量方法。本发明的适用对象为多段具有相同中心频率的信号；该发明包括以下步骤：首先，从多段具有相同中心频率的信号中任意选取三段，包含待求相位差的两段信号和一段参考信号；然后，对参考信号做希尔伯特变换，或对该信号做90°的相移得到第二段参考信号；接着，将这两段参考信号分别与待求相位差的两段信号做互相关，得到四种互相关关系；最后，根据这四种互相关关系求得被测信号间的相位差值。
上述专利文献CN201610040135.X中的一种基于脉搏波传播时间的无创连续血压监测方法及装置，能有效地提高连续血压检测的准确度及被测试者的舒适感，能够实现长时间无创连续的血压测量，而且设备的便携性高，给检查操作带来了很大的方便，且易于实现血压值的实时检测；而专利文献：CN201410029447.1中的一种基于希尔伯特变换的互相关相位差测量方法，则可以在信号中心频率未知的情况下准确测量出信号的相位差，具有较好的精度和鲁棒性。但是关于一种通过希尔伯特变换的互相关性来优化PTT的计算方法，从而来强化血压监测的性能，增加血压测量精度和稳定性，降低测量成本的一种新型基于ECG和PPG血液变化计算方法目前则没有相关的报道。
综上所述，亟需一种通过希尔伯特变换的互相关性来优化PTT的计算方法，从而来强化血压监测的性能，增加血压测量精度和稳定性，降低测量成本的一种新型基于ECG和PPG血液变化计算方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种通过希尔伯特变换的互相关性来优化PTT的计算方法，从而来强化血压监测的性能，增加血压测量精度和稳定性，降低测量成本的一种新型基于ECG和PPG血液变化计算方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种新型基于ECG和PPG血压变化计算方法，其特征在于，所述的计算方法包括三个模块：希尔伯特变换模块、互相关计算模块、相位差计算模块；所述的希尔伯特变换模块对输入的ECG和PPG信号同时做希尔伯特变换；所述的互相关计算模块对变换后的ECG和PPG信号做互相关计算；所述的相位差计算模块从相关性中提取相位差值；得出的相位差值反映了PTT值，再通过基线校准将血压变化校准到绝对血压上。
作为一种优选的技术方案，所述的可采用线性回归对PTT值进行基线校准。
本发明优点在于：
1、通过希尔伯特变换的互相关性来优化PTT的计算方法来强化血压监测的性能，增加血压测量精度和稳定性，降低测量成本。
2、PTT的计算原理来自ECG信号和PPG信号的相位差，通过希尔伯特变换算信号相位差比峰值更优。
3、PTT的计算精度和稳定性不依赖于峰值检测器。
4、最大限度地使用了ECG和PPG信号中所有数据。
5、降低了计算复杂度，从而节省了程序运行成本。
6、本专利提出的PTT算法可以应用在接触式生理体征监测(具备ECG和PPG传感器)，连续动态无创的测量血液(变化)。
附图说明
附图1是本发明一种新型基于ECG和PPG血压变化计算方法的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。
附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：
1.希尔伯特变换模块 2.互相关计算模块
3.相位差计算模块
在具体说明本发明之前，在此先说明本发明之主要原理与思想：
本发明属于软件算法范畴，即在基于采集的改成ECG和PPG信号基础上，通过计算两者相位差来计算PTT的方法；本方法的核心思想是对ECG和PPG信号同时做希尔伯特变换来计算两者的互相关，通过互相关得出两个信号的相位差值，而这个相位差值和PTT直接相关；具体的：
假设一组同步输入ECG和PPG信号，长度为L；我们通过以下三个核心步骤从ECG和PPG信号中提取PTT信号；其中也可加入其他信号预处理或后处理步骤(如滤波)降低噪声，强化信号的特征；
1.希尔伯特变换模块
在时域上设定一个滑动窗(如步长为1，长度为N)，将ECG和PPG信号截断成L-N+1个时域上的短时窗信号；对每个窗口下的ECG和PPG信号分别做希尔伯特变换：
Hecg＝hilbert(ECG)
Hppg＝hilbert(PPG)
其中，hilbert代表希尔伯特变换的运算符，Hecg和Hppg是变换后的复数信号，分为实部(原信号)和虚部(原信号90度相移动)；
2.互相关计算模块
对变换后的Hecg和Hppg做互相关计算：
C＝Hecg⊙Hppg
其中，C为复数，包含着两个信号相关性的幅度和角度信息；
3.相位差计算模块
通过C提取角度信息：
a＝angle(C)
其中，angle代表角度计算的运算符，a为角度，与ECG和PPG信号间的相位差相关；因为每个滑动窗能得出一个a值，将所有的窗口a值在时域上串联起来就能得到一条长度为L-N+1的角度信号，可直接用于计算PTT信号。
实施例1
请参看附图1，图1是本发明一种新型基于ECG和PPG血压变化计算方法的结构示意图。一种新型基于ECG和PPG血压变化计算方法，所述的计算方法包括三个模块：希尔伯特变换模块1、互相关计算模块2、相位差计算模块3；所述的希尔伯特变换模块1对输入的ECG和PPG信号同时做希尔伯特变换；所述的互相关计算模块2对变换后的ECG和PPG信号做互相关计算；所述的相位差计算模块3从相关性中提取相位差值；得出的相位差值反映了PTT值(血压变化)，再通过基线校准(如线性回归)将血压变化校准到绝对血压上。
需要说明的是：PTT(血压变化)的计算原理来自ECG信号和PPG信号的相位差，通过希尔伯特变换算信号相位差比峰值更优；本专利提出的PTT方法直接省去了峰值检测这一步，解决了三个问题：(1)PTT的计算精度和稳定性不依赖于峰值检测器；(2)最大限度地使用了ECG和PPG信号中所有数据；(3)降低了计算复杂度，从而节省了程序运行成本；本专利提出的PTT算法可以应用在接触式生理体征监测(具备ECG和PPG传感器)，连续动态无创的测量血液(变化)；通过希尔伯特变换的互相关性来优化PTT的计算方法来强化血压监测的性能，增加血压测量精度和稳定性，降低测量成本。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种新型基于ECG和PPG血压变化计算方法，其特征在于，所述的计算方法包括三个模块：希尔伯特变换模块、互相关计算模块、相位差计算模块；所述的希尔伯特变换模块对输入的ECG和PPG信号同时做希尔伯特变换；所述的互相关计算模块对变换后的ECG和PPG信号做互相关计算；所述的相位差计算模块从相关性中提取相位差值；得出的相位差值反映了PTT值，再通过基线校准将血压变化校准到绝对血压上。
2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述的可采用线性回归对PTT值进行基线校准。
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Assignee: Shanghai Jialian Q & A Medical Consulting Service Co., Ltd.

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Denomination of invention: Novel blood pressure change calculation method based on ECG and PPG

License type: Exclusive License

Record date: 20190930

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